杭州亚运会曲棍球场罩棚的数字化设计

2022-03-21陈劼吴哲昊张群力陈骏祎徐羿

建筑技艺 2022年1期

关键词：张拉曲面骨架

陈劼吴哲昊张群力陈骏祎徐羿

陈劼浙江省建筑设计研究院第五建筑设计院建筑师，高级工程师，国家一级注册建筑师。

吴哲昊 ※（通信作者）浙江省建筑设计研究院全过程工程咨询管理部主任，教授级高级工程师，国家一级注册建筑师（125319444@qq.com）。

张群力浙江新盛建设集团有限公司技术总工程师，高级工程师。

陈骏祎浙江省建筑设计研究院第五建筑设计院建筑师。

徐羿浙江省建筑设计研究院第五建筑设计院结构工程师，高级工程师。

张拉膜结构分为骨架支承式膜结构和索膜结构两种。骨架支承式膜结构（以下简称“骨架式膜结构”）采用膜材面料，可以充分发挥不同材料的特性，以平板网架或曲面网壳等刚性支撑作为支承骨架，不仅应用了已成熟的网架、网壳设计技术，且结构构造较为简单，具有推广价值，杭州亚运会曲棍球场便是已建成的骨架式膜结构项目；索膜结构利用索网将膜绷紧作为承重结构，或利用桅杆将钢索和膜张挂起来，结构造型新颖随意，由索膜结构的力学特性可知，以反向曲率形成的马鞍形状是膜结构的基本稳定形式，已建成的索膜结构项目有成都露天音乐公园等。

1 项目概况

杭州运河亚运公园位于杭州市拱墅区，东至学院北路，西至丰潭路，南至申花路，北至石祥路，占地701亩，总建筑面积18.5万m，由“一场、一馆、一广场、两中心”组成。公园以育英路为界，分南北两个区域，又称“南馆北场”：被称为“杭州伞”的5 000座曲棍球场位于北区，为2022年杭州亚运会曲棍球场；7 500座体育馆位于南区，为2022年杭州亚运会乒乓球、霹雳舞比赛场馆。同时，公园配套全民健身中心、全媒体中心、亚运广场、商业峡谷等（图1）。

杭州亚运会曲棍球场方案由美国ATS公司（Archi-Tectonics）和浙江省建筑设计研究院合作设计完成。场馆造型是一把放大的江南油纸伞，以另一种形式展现这一非物质文化遗产。场馆占地面积1.23万m，看台平面呈弯月形，最高点高度20.8m，可容纳5 000人同时观赛。曲棍球比赛的标准场地为长方形，长91.4m（100码），宽55.0m（60码）。场馆的罩棚与看台脱开，完全独立，罩棚曲面左右对称，前高后低，前侧最高点高47m，后侧最低点高24m，膜曲面水平投影尺寸为112m×124m。看台罩棚采用骨架式膜结构，膜覆盖在一个四角落地的巨型拱网壳结构上，膜材采用ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）编织，轻盈朦胧（图2,3）。

2 建筑数字化设计策略

2.1 数字化设计约束条件

数字化设计要将影响设计的因素和条件转化成数字、参数、表达式、计算机语言，将设计逻辑转化为数学函数、计算机算法，再根据建筑设计的约束条件、几何逻辑建立参数模型。在几何逻辑构建过程中，变量之间的关系若很难用一个简单的参数模型表达，可以通过组合多个简单参数模型来实现。

膜控制曲面设计是本项目中数字化设计的重点内容，相关限制条件有比赛场地的形状与大小、看台的形状大小与高度、观众视线、膜面排水、日照辐射、声学特性、人流疏散、遮阴挡雨、结构的合理性、结构的稳定性、结构的抗风抗震性能、防火消防等诸多因素。设计中需要多专业配合，经过多轮设计修改及优化才能完成。

由于建筑形体复杂，曲面形建筑的找形调整往往是“牵一发而动全身”，因此还需建立建筑几何控制系统，再采用数字化设计方法来进行建模、找形。

2.2 建筑设计几何条件及建模

根据建筑创意，罩棚的几何形体取自撑开的油纸伞。油纸伞曲面为直纹面（角度较小的圆锥曲面），故罩棚造型曲面S也被设计为直纹面。

膜面的边缘曲线是膜面控制曲线。根据方案设想，前、后（将看台方向称为前方）两条边缘曲线由两个直立的圆柱面RS1和RS2与两个倾斜平面S1和S2求交后产生，其中RS2与S1相交得到前方的椭圆曲线L1，RS1与S2相交得到后方的椭圆曲线L2（图4）。通过直线同伦映射，以L1、L2在水平面上的投影及圆心角为参数，建立两条曲线上点的一一对应关系，由此可以写出以L1、L2为导线的直纹曲面方程。再将场地两侧的两个小圆柱面与该直纹曲面相交，从而得到罩棚左右两侧的边界曲线。最终，将膜控制曲面KS前后方向的椭圆曲线和左右方向的空间曲线组合在一起，形成一条封闭的空间曲线，即罩棚形体完整的边界曲线。根据边界曲线属性得到对应的数学解析表达式，利用Rhino平台自带的Grasshopper插件，即可建立项目的参数化模型。

3 建筑结构优化设计

在膜结构最终呈现的效果中，巨大的骨架处于人群可视范围内，外露的钢结构有着强烈的视觉冲击效果。一个优美的骨架式膜结构既要有优美的膜面形体，也要有优美的骨架系统，即结构美，因此，骨架的结构布置尤为重要，在满足建筑造型美观的同时，又要符合结构受力合理、安全的性能要求，最终形成一个形与力完美统一的膜结构建筑。

3.1 骨架结构的比选

在Rhino软件中编写膜控制曲面KS，通过调整形体控制参数等即可方便地修改、调整曲面的形状。设计可以利用Rhino内置的微分几何功能，按结构设计要求控制KS及其法向等距面衍生出的结构布置所需的控制网格。在本项目的方案阶段，基于控制曲面对两个三角拱内侧的网壳结构考虑了两种不同的布置形式，一种是直线网格衍生的平行骨架：直纹曲面具有直线分布的几何特点，即曲面上任一点都至少有一条直线通过，控制曲面KS的构造可利用曲面上的直线布置结构骨架，并且根据曲面上测地线的定义，直纹曲面上的直线也是直纹曲面上的测地线（图5）；另一种是测地线网格衍生的斜交骨架：曲面任何一个点在指定方向上都有唯一的一条测地线通过，通过选定点与方向就可以根据测地线布置出斜交的龙骨结构系统（图6）。

桁架形式的平行骨架结构简单，制作安装、裁剪张拉膜材方便，但造型和空间性能不如斜交骨架结构。最后基于建筑最初立意——江南油纸伞（直纹面），以及更高的净高，选择了平行骨架方案，实现建筑与结构设计语言的统一。

3.2 膜面裁剪与张拉

罩棚顶部构件的中心线网格（曲线网格）布置在控制曲面KS的等距面上。但由于罩棚顶面的结构钢管直径不同，需在骨架结构顶部设置不同高度的绷膜架（图7），使绷膜架顶面与膜控制曲面KS相切，然后在绷膜架顶面上进行膜材张拉。

因为膜材和索材都是柔性材料，若没有经过张拉，未被赋予膜面张拉预应力的膜材是无法成形的。与索膜结构的整体找形不同，骨架式膜结构的找形是区域内的找形，以四周绷膜架顶部为边界条件，在每一个区域中都以控制曲面为茩标曲面进行拟合。同时，控制张拉后的膜面与控制曲面应尽量接近，并在绷膜架两侧光滑过渡（切平面相同）。最后的膜结构可能不是等应力膜，但必须是平衡应力膜，否则膜面会出现褶皱。

本项目使用德国Easy软件进行骨架式膜结构的找形设计、荷载作用分析和裁剪分析，利用Rhino中的Nudibranch插件实现雨水径流模拟。